2.4 互联效应

2.4.1 组件电路的设计

通常将多块光伏电池单元串联成一块光伏电池板，以提高输出电压，如图2-12所示。独立光伏系统中，光伏组件的输出电压通常被设计成与12V蓄电池相匹配。在25℃和AM1.5条件下，单个光伏电池的输出电压只有0.6V左右。考虑到由于温度造成的电池板电压损失和蓄电池所需要的充电电压要达到15V或者更高，由36块电池片组成的光伏电池组件，在标准测试条件下，输出的开路电压将达到21V左右，最大功率点处的工作电压大约为17V或18V。

虽然光伏组件输出电压的大小取决于电池的数量，但是组件的输出电流却取决于单个光伏电池的尺寸大小和它的转换效率。在AM1.5和最优倾斜角度下，商用电池的电流密度大约在30～36mA/cm²之间。单晶硅电池的面积若为100cm²，则总的输出电流大约为3.5A。多晶硅电池组件的电池片面积更大，但电流密度相对较低，因此输出的短路电流约为3A左右。但是，多晶硅电池的面积可以有多种变化，因此电流也可以有多种选择。

如果组件中的所有光伏电池都具有相同的电特性，并处于相同的光照和温度下，则所有的电池都将输出相等的电流和电压。在这种情况下，光伏组件的I-U曲线的形状将和单个电池的形状相同，只是电压和电流都增大了。则此电路的方程为

式中，N为串联电池的个数；M为并联电池的个数；IT为电路的总电流；UT为电路的总电压；I0为单个电池的饱和电流；IL为单个电池的短路电流；Rs为单个电池单元的串联电阻；n为单个电池的理想因子；q、k和T为常数。

2.4.2 错配效应

错配损耗是由互相连接的电池或组件，因为性能不相同或者工作条件不同造成的。在工作条件相同的情况下，错配损耗是由其性能不相同造成的，这是一个相当严重的问题，因为整个光伏模组的输出是取决于那个表现最差光伏电池的输出。例如，在一个模组中有一块电池片被阴影遮住（见图2-13），则其他工作正常的电池所产生的电能，大部分将被阴影遮挡的电池所抵消。反过来还可能会导致局部电能的严重损失，由此产生的局部加热也可能引起模组致命的损害。模组局部被阴影遮住是引起光伏组件错配的主要原因。

当模组中的一个光伏电池的参数与其他的明显不同时，错配现象就会发生。由错配造成的影响和电能损失大小取决于：①光伏模组的工作点；②电路的结构布局；③受影响电池的参数。

一个电池与其余电池在I-U曲线的上任何一处的差异都将引起错配损耗。图2-14展示了光伏电池在非理想下的I-U曲线。尽管错配现象可能是由电池参数引起的，但是严重的错配通常都是由短路电流或开路电压的差异所引起的。错配影响力的大小还取决于电路的结构和错配的类型，最大的错配差异存在于电池处于反向偏压的时候。

2.4.3 串联电池的错配

因为大多数光伏组件都是串联形式连接的，所以串联错配是最常遇到的错配类型，如图2-15所示。在两种最简单的错配类型中（短路电流错配和开路电压错配），短路电流的错配比较常见，它很容易被组件的阴影部分所引起。同时，这种错配类型也是最严重的。

对于两个串联的光伏电池来说，流过两者的电流大小是一样的，产生的总电压等于两个电池电压之和。因为串联电路中，电流大小相等，所以在电流上出现错配就意味着总电流等于各个光伏电池光生电流中的最小值。

1.串联电池的开路电压错配

串联电池的开路电压错配是一个不太严重的错配类型，如图2-16所示。在短路电流处，光伏组件输出的总电流是不受影响的。而在最大功率点处，总的功率却减小了，因为总有一个电池产生的能量较少。由于两个电池是串联起来的，所以流经两个电池的电流是一样的，而总的电压则等于每个电池的电压之和。

2.串联电池的短路电流错配

短路电流错配对光伏组件有重大影响，如图2-17所示。由于穿过每个光伏电池单元的电流需要一致，所以串联电路的总电流应该是两个光伏电池组件中的最小电流，产生大电流的光伏电池单元的电流被产生小电流的光伏电池单元抵消了。

总体来说，在有电流错配的串联电路中，若问题光伏电池产生的光生电流小于正常单元在最大功率点时的电流，或者光伏电池工作在短路电流或欠电压处，则问题电池的高功率耗散会对组件造成致命的伤害，产生严重的功率损失。

两个串联光伏电池的电流错配问题，非常普遍，且有时会是相当严重的，串联电路的电流受到问题电池的电流限制。两线交点的电流表示串联电路的短路电流，这是一个计算串联电池的错配短路电流的简单方法，如图2-18所示。

2.4.4 旁路二极管

通过使用旁路二极管可以避免错配对组件造成的破坏，二极管与电池并联且方向相反，如图2-19所示，这是通常避免错配的方法。在正常工作状态下，每个光伏电池的电压都是正向偏置的，所以旁路二极管的电压为反向偏置，相当于开路，此时二极管不起作用。然而，如果串联电池中有一个电池发生错配而导致电压被反向偏置，则旁路二极管就会立即导通，因此使得来自正常电池的电流流向外部电路，即二极管电路，而不是变成每个电池的前置偏压。穿过问题电池的最大反向电压将等于单个旁路二极管的管压降，由此限制了电流的大小。

在短路且电流匹配的情况下，穿过电池和旁路二极管的电压都为零，旁路二极管也不对电池产生影响。

要计算旁路二极管对I-U曲线的影响，首先要画出单个光伏电池（带有旁路二极管）的I-U曲线，然后再与其他电池的I-U曲线进行比较。旁路二极管只在电池出现电压反向时才对电池产生影响。如果反向电压高于电池的反向电压，则二极管将导通并让电流流过。图2-20是两种情况的I-U曲线。

图2-21给出了一种带有旁路二极管的电池组件示意图。图中画出了9个光伏电池，其中有8个正常电池和1个问题电池。典型的光伏组件由36个电池组成，如果没有旁路二极管，错配效应的破坏将更严重。

然而，实际应用中若每个光伏电池都连接一个二极管，成本会很高，所以一个光伏组件通常包含1～2个二极管。穿过问题电池的电压大小等于串联电路中其他正常光伏电池（即与问题电池共享一个二极管的电池）的前置偏压加上二极管的电压。那些正常电池的电压大小取决于问题电池的问题严重程度。例如，如果一个电池完全被阴影遮住了，那些没有被阴影覆盖的电池会因短路电流而导致正向电压偏置，而电压值大约为0.6V。如果问题电池只是部分被阴影遮住，则正常电池中的一部分电流将穿过电路，而剩下的则被用来对每个电池产生前置偏压。问题电池导致的最大功率耗散几乎等于那一组电池所产生的所有能量。通常在“36电池”的光伏组件中，每个组件可以接有两个二极管。

2.4.5 并联电池的错配

在小的电池组件中，电池都是以串联形式相接的，所以不用考虑并联错配问题。通常在大型光伏阵列中组件才以并联形式连接，所以错配通常发生在组件与组件之间，而不是电池与电池之间。

图2-22a是电池的并联示意图，穿过每个电池的电压总是相等的，电路的总电流等于两个电池的电流之和。如图2-22b所示，电池1产生的光生电流小于电池2。并联错配对电流的影响不大，总的电流总是比单个电池电流大。图2-22c是并联电池的电压错配，电池2较高的电压实际上起到了降低正常电池开路电压的作用。

简单计算错配并联电池的开路电压，即在坐标图中以电压为自变量画出I-U曲线，则两线的交点就是并联电路的开路电压，如图2-23所示。

2.4.6 光伏阵列中的错配效应

光伏阵列是由多个光伏组件通过串联和并联形式连接起来的，串联与并联相结合可能会导致光伏阵列中出现问题。一个潜在的问题是当组件中的一个电池发生了开路，则来自这个组件的电流要小于阵列中的其余组件。这种情况与串联电路中有一个电池被阴影遮挡的情况相似，即整个光伏阵列输出的能量将会下降，如图2-24所示。

如果旁路二极管的额定电流与整个并联电路的输出电流大小不匹配，则并联电路的错配效应同样会导致严重的问题。比如，由串联组件组成的并联电路中，每个串联组件的旁路二极管也以并联形式连接，如图2-25所示。串联组件中的一个错配将会导致电流从二极管流过，从而使二极管发热。然而，二极管发热会减少饱和电流和有效电阻，从而使组件中的另一串电池也受影响。电流可能会流过组件中的每一个二极管，但也会流过与二极管相连的那一串电池，使这些旁路二极管变得更热，将大大降低它们的电阻并提高电流。如果二极管的额定电流小于电池组件的并联电流，二极管将会被烧坏，光伏组件也将会损坏。

除了使用旁路二极管来阻止错配损失外，通常还会使用阻塞二极管来减小错配损失，如图2-26所示。它不仅能降低驱动阻塞二极管的电流，还能阻止电流从一个正常工作的电池板流到有问题的电池板，也因此减小了并联组件的错配损失。